近日，上海交通大学环境科学与工程学院土壤与地下水污染修复技术团队仇浩教授在微塑料研究领域连续取得重要进展，两项研究成果相继发表于国际顶级期刊《Nature Protocols》和《Environmental Science & Technology》。这两项工作从方法学创新和机制认知突破两个维度，系统推进了学界对微塑料环境行为的理解。上述研究得到国家重点研发计划青年科学家项目（No. 2023YFC3711500）资助。

《Nature Protocols》：首次建立微塑料老化研究的标准化流程

微塑料一旦进入环境，便会受到光照、温度、氧化剂、微生物等多重因素的共同作用，发生复杂的“老化”过程。然而，长期以来，该领域缺乏统一的研究范式，不同实验室采用各异的老化条件和表征手段，导致结果难以横向比较。

仇浩教授联合西北农林科技大学郭学涛教授、中国科学技术大学张鹏教授组成的国家重点研发计划青年科学家项目团队在《Nature Protocols》发表的论文“Preparing and characterizing environmentally aged microplastics”，首次提出了一套标准化、模块化、可量化的微塑料老化研究系统解决方案。

图1：微塑料老化标准化方法流程

该方案的核心创新体现在三个方面：

1. 全环境介质覆盖的模块化实验设计

针对水体、土壤、大气和生物四种环境介质，研究团队设计了差异化的老化模拟方案。无论是水体中的光氧化与机械剪切，土壤中的冻融循环与微生物作用，还是大气中的羟基自由基老化，方案均提供了详细的参数设置和操作步骤，确保实验室模拟更贴近真实环境。

2. 多维度表征与复合老化指数（CAI）

研究整合了扫描电镜、红外光谱、热裂解-气相色谱-质谱等11种表征技术，从微观形貌、表面化学、溶解特性、质量变化等多个维度刻画老化程度。更关键的是，团队建立了复合老化指数（CAI），通过加权标准化各指标，将复杂的多维数据转化为一个可比较的量化值，并将老化程度划分为三个等级，首次实现了跨研究、跨环境下老化程度的定量比较。

3. 从静态终点到动态追踪的范式转变

该工作突破了传统研究中将老化视为“静态结果”的局限，通过时间分辨的采样与分析，揭示了微塑料老化的动力学过程，为预测其在环境中的长期演变规律提供了工具。

图2：土壤环境中微塑料老化表征示例

这一标准化方案的确立，不仅为微塑料的生态风险评估提供了科学依据，也为未来开发“可控降解”的环境友好型塑料奠定了方法学基础。

《ES&T》：微塑料——土壤物理结构的“双刃剑”

在建立了老化研究方法之后，仇浩教授在《Environmental Science & Technology》发表的文章“Beyond Chemistry and Biology: Microplastics as Emerging Structural Agents in Soil”，将视角从微塑料自身的变化，延伸至其对土壤物理结构的深远影响。

传统研究多聚焦于微塑料的化学与生物效应，但土壤健康同样高度依赖其物理结构，包括孔隙网络、团聚体稳定性和力学强度。这些物理属性决定了土壤的水分入渗、气体交换和抗侵蚀能力。

该文首次系统提出：微塑料不仅是污染物，更是土壤中一类新兴的“结构调节剂”，其作用呈现出显著的“双重性”。

图3：微塑料对土壤结构的影响与应对策略

七大理论命题揭示微塑料的物理重塑机制：

1. 尺寸效应：小尺寸微塑料可能堵塞孔隙，中等尺寸可形成次生孔隙网络，大尺寸则作为刚性夹杂物引发应力集中。

2. 形态效应：球形颗粒可能降低土壤剪切强度，纤维可增强抗拉性能或形成“伪团聚体”，薄膜则可能包覆矿物表面改变水流路径。

3. 表面性质：带电微塑料可能干扰阳离子桥联，疏水表面可诱发优先流，而生态冠层的形成会动态调节这些相互作用。

4. 空间异质性：微塑料的非均匀分布导致土壤形成“低孔隙区”与“优先流通道”，加剧水分与养分的空间失衡。

5. 长期老化：老化过程增加表面粗糙度与含氧官能团，可能增强微塑料与土壤颗粒的结合，或通过碎裂进一步堵塞孔隙。

6. 土壤类型与环境因素：冻融循环、干湿交替等水热波动，可能放大或抑制微塑料的结构效应。

7. 农业耕作实践：传统耕作可能破坏纤维网络，而保护性耕作则有助于微塑料在表层土壤中形成稳定的结构网络。

研究指出，微塑料对土壤物理结构的重塑，最终将影响微生物栖息地、根系生长乃至作物产量，其潜在效应需置于环境真实浓度和空间分布下审慎评估。

从“如何老化”到“如何重构”：一条完整的研究链条

这两项研究在逻辑上紧密衔接：《Nature Protocols》提供的标准化方法，使我们能够精准制备和表征老化微塑料；而《ES&T》提出的理论框架，则引导我们思考这些经过老化的微塑料，如何作为土壤的“结构性成分”发挥作用。

未来，团队计划整合同步辐射X射线断层成像、多物理场数值模拟与地理信息系统，实现从孔隙尺度到区域尺度的跨尺度解析，真正回答“微塑料如何影响土壤结构健康”这一核心科学问题。

作者信息：

上海交通大学环境科学与工程学院博士后李星为NP的共同第一作者，博士后孙凯伦为ES&T的唯一第一作者；仇浩教授为NP的共同通讯作者、ES&T的唯一通讯作者。仇浩教授长期致力于微塑料等新污染物的环境行为与生态风险研究，推动“工程导向的生态风险评估”与“无害设计”理念在陆地生态系统中的应用。